垂直轴风力发电机风轮的机械功率计算

垂直轴风力发电机风轮的机械功率计算

1旋转轴与地面垂直的特点风机分为水平轴风机和垂直轴风机。垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转,其特征是旋转轴与地面垂直,风轮的旋转平面与风向平行。与水平轴风力机相比,其发电机各个机构和装置都在地面或低空,这样方便维护;而且不需要安装迎风装置,因为它能够接受360°方位中任何方向的来风;再加上其主轴永远向设计方向转动,简化了结构;还具有风能利用率高、起动风速低和无噪音等众多优点,因而具有广泛的应用前景。2垂直轴风力发电系统垂直轴风机可分为两种类型,一类称为阻力型,利用空气阻力做功;另一类称为升力型,利用翼型的升力做功。垂直轴风力发电机组的运行参数为:额定功率10kW;输出电压380V;启动风速4m/s;额定风速13m/s;安全风速55m/s,该风轮是根据这些参数来设计和分析的。本风轮采用阻力式柱面风叶,是因为其结构简单、性能可靠。风叶的形状如图1、图2所示。由于其制造简单、成本低、性能好,所以适于推广使用。2.1确定风轮叶片的清洁范围s风力机的有效功率Ne=KCHCLv3Sη,故风轮叶片扫掠面积S为代入上式,S=35.7m2。2.2确定风轮的半径r和风轮叶片的高度h由于风轮的叶片扫掠面积与风轮半径和风轮叶片高度的关系为S=2RH,故取风轮半径R=5m;风轮叶片高度H=3.5m。3风轮是否符合实验数据的确定目前,风机设计的主要侧重点在于提高效率及轴和叶片的受力,这需要通过对风轮做机械功率计算、Cp值计算和ANSYS有限元模态分析计算Cp值,并且与实验数据进行比较来分析所设计的风轮是否符合要求。下面就上述的三种方法来分析本文所设计的风轮。3.1n-风轮的转速n-m计算风轮的机械功率P机械的公式如下:式中,C-风轮的扭矩,N·m;n-风轮的转速,r·min-1。在同一风速的情况下,通过多次实验,得到风轮的转速n的数据后取平均值,最后可得出风轮在该风速下的机械功率。3.2单次使用功率比Cp是指风力发电机的风轮提供的功率与风轮扫掠面内气流所具有的总有用功率的百分比,具体公式如下:式中,ρ-当地空气密度,kg/m3;S-风轮扫风面积,m2;V-风轮上游的风速,m/s。3.3叶生长和尖线速度叶尖速比λ是风轮的一个重要参数,常用叶片的叶尖线速度(圆周速度)与风和叶片接触前很远距离上的来流风速的比值来描述。具体公式为:式中,R:叶尖半径,m;ω:风轮角速度,rad/s。4风轮转速n和增速比i的确定运算得出的结果如图3所示。从图3可知,理论上,该风轮在风速为13m/s的时候,最大值可以达到0.44,所对应的叶尖速比值为2.1。此时风机的效率最高,发电量最大;当风速慢慢变小,Cp值也会随之波动变小,风机的效率也就随之慢慢降低。在实地测量数据时,会由于风机风阻等不定因素的影响,实际测量值和理论值会有所变化。通过得到的尖速比λ,就可确定风轮的转速n和增速比i。(1)风轮转速n计算公式为:代入上式可得出风轮在额定风速下的转速(2)增速比i的计算公式为:代入上式可得出增速比i=4.4。一般设计出风轮后会选择增速器,为了减少增速器的齿轮,降低所需的生产成本,就希望所设计风轮的增速比较小,由于发电机转速愈低其效率也愈低,但为了减小增速比,又往往选择低转速的发电机,以减小增速器的传动比,减少齿轮,降低生产成本,增强可靠性。5风轮及发电机转速通过对这种风轮的设计计算与分析,在理论方面论证了其实际应用的可行性、可靠性,为该类型风力发电机的设计和商品生产提供了理论依据。但其结果需要和实际运行测量结果比较分析,才能更好地进行风轮的设计和改进。由于该风轮尚没有进行实际使用,所以该设计还需在实践中检验。式中,K=0.6127;CH-假设本风力发电机组工作的平均海拔高度为1500m,那么对应的CH值为0.832;CL-假设本风力发电机组工作的平均温度为15.5℃,那么对应的CL值为1.000;v-风速,m/s,取额定风速13m/s;η-一般情况下,风力机的全效率η=25%~50%,假定该风机的运行条件为低风速,因此η应取较小值25%;Ne-风力机的有效功率,本风力发电机组取100